Bez tytułu slajdu

WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE GRUNTU

Ośrodek gruntowy składa się z oddzielnych ziaren i cząstek,
tworzących

szkielet

gruntowy

pomiędzy

którymi

występują puste przestrzenie zwane

porami

. W porach

gromadzi się

woda

. Może ona całkowicie wypełniać pory i

wtedy mówimy o gruntach

nasyconych

, lub tylko

częściowo, i wówczas w porach znajduje się również
powietrze i para wodna.

W świetle tak scharakteryzowanej
struktury gruntów mówimy o ich
trójfazowej budowie:

faza stała

– ziarna i cząstki

mineralne

stanowiące

szkielet

gruntowy,

faza ciekła

– woda znajdująca się

w porach,

faza gazowa

– głównie powietrze

znajdujące się w porach.

Na podstawie wzajemnych zależności pomiędzy podstawowymi
fazami gruntu, a ściślej ich masami i objętościami, wprowadza
się definicje podstawowych cech fizycznych gruntów.

Gęstość właściwa szkieletu gruntowego

– jest to stosunek

masy szkieletu gruntowego do jego objętości













;

Gęstość  właściwa  zależy  od  składu  mineralnego  fazy  stałej
gruntu,  np.  dla  pias-ków  na  terenie  Polski,  składających  się
głównie  z  ziaren  kwarcowych  jest  równa  2,65  g/cm

, zaś dla

gruntów spoistych, w szkielecie których dominują minerały
ilaste 2,66 – 2,78 g/cm

Z pojęciem gęstości właściwej związane jest określenie

ciężaru właściwego























W laboratorium 

wyznacza się najczęściej przy użyciu

piknometru

, czyli kolby szklanej z zaznaczoną na szyjce

kreską. Przebieg oznaczenia:

1. ważymy pusty, suchy i czysty piknometr –

2. wsypujemy do piknometru wysuszony grunt - próbka

(grunt spoisty po wysuszeniu należy dokładnie rozdrobnić w
moździerzu) i ważymy –

3. dolewamy wody do 2/3 objętości, gotujemy przez 0,5
godziny (dla odpo-wietrzenia) i, po ostudzeniu oraz
dopełnieniu wodą do kreski, ważymy –

wgt

4. po opróżnieniu piknometru, nalewamy samej wody do kreski
i ważymy –

Na podstawie powyższego schematu można napisać:

wgt

)

(

)

(

)

(

























2 -
1

Gęstość objętościowa gruntu

– jest to stosunek masy próbki

gruntu do jej objętości













;

Wartość  gęstości  objętościowej  gruntu  zależy  od  jego  składu
mineralnego,  wil-gotności  i  porowatości.  Jest  jednym  z
podstawowych,  najczęściej  wykorzys-tywanych  w  obliczeniach
geotechnicznych,  parametrów.  Jej  znajomość  jest  niezbędna  do
wyznaczenia  nośności  podłoża,  obliczenia  parcia  gruntu  na
konstrukcje oporowe, sprawdzenia stateczności zboczy i w wielu
innych  zagad-nieniach.  Istnieje  również  pojęcie

ciężaru

objętościowego

gruntu, który można obliczyć z zależności:

















Znanych  jest  kilka  metod  oznaczenia  gęstości  objętościowej  w
laboratorium  lub  bezpośrednio  w  terenie.  Wszystkie  one  różnią
się  między  sobą  sposobem  ustalenia  objętości  próbki  gruntu.  W
laboratorium stosuje się do tego celu metodę pierścienia, metody
rtęciowe,  czy  metodę  parafinowanej  próbki,  zaś  w  terenie
wykorzystuje  się  objętościomierze  piaskowe,  wodne  itd.  Dla
gruntów sypkich „in situ” stosuje się również oznaczenie gęstości
metodami izotopowymi.

Przykładowo podaje się sposób przeprowadzenia oznaczenia
gęstości objętościowej gruntów spoistych przy pomocy

pierścienia tnącego

Jest

stalowy

pierścień

objętości 10 – 50 cm

którego

jedna  krawędź  jest  zaostrzona  (1),
umieszczony  w  obudowie  (2).  Sam
pierścień  należy  zważyć  (

) oraz

pomierzyć

jego

średnicę

wewnętrzną

wysokość

dla

ustalenia objętości (

Pierścień  ustawiamy  zaostrzoną  stroną  na  wyrównanej
powierzchni  próbki  gruntu  spoistego  i  równomiernie  wciskamy.
Po  wypełnieniu  gruntem  ścina  się  jego  nadmiar  z  obu  stron
pierścienia,  prowadząc  zawsze  nóż  od  środka  ku  krawędziom
pierścienia.  Po  oczyszczeniu  powierzchni  zewnętrznej  waży  się
pierścień  z  gruntem  (

). Gęstość objętościową oblicza się ze

wzoru:







Gęstość objętościową gruntów

sypkich

oznacza się analogicznie

jak pierścieniem, tylko stosuje

cylinder

cienkościenny o objętości

500 - 1000 cm

. Do oznaczenia

naturalnej

gęstości objętościowej

należy

zawsze

stosować próbki

NNS

Wilgotność gruntu

– jest to stosunek masy wody zawartej w

gruncie do masy szkieletu gruntowego (wysuszonego gruntu):

[%]

100

lub

[-]





Wilgotność wyraża się w postaci ułamka dziesiętnego lub w
procentach. Do oznaczenia w laboratorium stosuje się metodę
„suszarkową”:

- ważymy dwa puste naczynka (parowniczkę) –

- do naczynek wkładamy fragmenty próbki gruntu o
wilgotności naturalnej NW, o masie zależnej od rodzaju gruntu
(dla spoistych ok. 30-50 g), i ważymy –

- naczynka z próbką wstawiamy do suszarki i w temperaturze
105 - 110ºC suszymy do „stałej masy”, czyli tak długo, aż masa
przestaje się zmniejszać, i ważymy –

- wilgotność obliczamy ze wzoru: i
obliczamy wartość średnią.





W procesie suszenia zostaje odparowana woda wolna, zawarta
w porach gruntu. Nadal pozostaje w gruncie woda silnie
związana z powierzchnią cząstek i zawarta w strukturze
minerałów budujących szkielet.

Trzy dotychczas omówione cechy gruntu:



oraz

oznacza się w sposób

bezpośredni

, na drodze badań

laboratoryjnych lub polowych. Wartości innych parametrów
gruntu, których definicje będą podane, można obliczyć,
przyjmując wymienione wyżej parametry jako dane.

Gęstość objętościowa szkieletu gruntowego

- jest to

stosunek masy szkie-letu gruntowego próbki do objętości
całej próbki













;

Korzystając

wcześniej

wprowadzonych

wielkości

otrzymamy wzór na obli-czenie 

Wartość 

wykorzystujemy m. in. do obliczenia porowatości i

wskaźnika

po-rowatości

oraz

stopnia

wskaźnika

zagęszczenia gruntu.





[%]

100































































Porowatość

- jest to stosunek objętości porów w próbce do

objętości całej próbki

 





Porowatość oblicza się ze wzoru:

























Wskaźnik porowatości

- jest to stosunek objętości porów do

objętości szkieletu

 





oraz







































Korzystając z
definicji można
napisać:

Znajomość  porowatości  oraz  wskaźnika  porowatości  jest
niezbędna  m  in.  dla  oceny  właściwości  filtracyjnych  gruntów
(szczególnie  sypkich).  Porowatość  piasków  i  żwirów  zawiera
się  w  przedziale  0,20  -  0,55,  zaś  gruntów  spoistych  osiąga
wartości  0,20  -  0,70.  Wskaźnik  porowatości  piasków  i  żwirów
wynosi  0,25  -  1,22,  a  dla  gruntów  spoistych  może  osiągnąć
nawet 2,30 (iły).

Rozpatrując

hipotetyczny

grunt

składający się z ziarn kulistych o
jednakowej

średnicy,

minimal-na

porowatość  występuje  w  układzie
„kula  oparta  na  trzech  kulach”  i
wynosi  n

min

= 0,258, zaś maksymalna

w układzie „kula nad kulą” - n

max

0,476. Porowatości równoziarnistych
piasków i żwirów zwykle mieszczą się
w tych granicach.

Można się również spotkać z pojęciem porowatości

wewnętrznej

. Dotyczy ona głównie naturalnych gruntów,

których ziarna są pochodzenia wulkanicznego. Występują w
nich pustki, całkowicie zamknięte, wypełnione gazami.
Analogiczna

sytuacja

występuje

również

gruntach

antropogenicznych jakimi są żużle elektrowniane lub
wielkopiecowe.

Gęstość objętościowa przy pełnym nasyceniu wodą

- jest

to stosunek masy próbki gruntu, której pory są całkowicie
wypełnione wodą -

do objętości tej próbki gruntu.

- masa wody wypełniającej całkowicie pory.

Ciężar objętościowy gruntu z uwzględnieniem wyporu

jest to stosunek

efektywnego

ciężaru elementu gruntu

znajdującego się poniżej lustra wody gruntowej do jego
objętości:

















































;

lwg

G = V·

- ciężar elementu gruntu

W = V· 

- wypór tego elementu

V - objętość elementu



























W praktyce ciężar objętościowy gruntu z uwzględnieniem
wyporu oblicza się według wzoru wyprowadzonego poniżej:



























 

























































































Przy definiowaniu podstawowych parametrów fizycznych gruntu
pojawiło się pojęcie

„próbka gruntu”.

Jest to niewielka zwykle porcja

gruntu,  pobierana  w  trakcie  rozpoznawczych  badań  polowych
(wierceń,  sondowań,  wykopów  próbnych  itp.)  dla  wykorzystania  do
badań  laboratoryjnych  i  makroskopowych.    W  geotechnice  próbki
pobierane są według 3 kategorii stosowanych metod:

kat. A

– są to metody umożliwiające pobranie próbek w stanie

rzeczywistego zalega-nia, o zachowanej naturalnej strukturze (

NNS

wilgotności i uziarnienia,

kat. B

– pobierane są próbki w stanie rzeczywistego zalegania, w

sposób zapewnia-jący zachowanie naturalnej wilgotności (

) i

uziarnienia,

kat. C

– próbki pobrane są w sposób gwarantujący zachowanie

naturalnego uziarnie-nia gruntu (

Próbki powinny być zaopatrzone w metryczkę z opisem: data i
miejsce pobrania, numer otworu, głębokość pobrania, itd.

STANY FIZYCZNE GRUNTÓW SYPKICH

Właściwości gruntów sypkich, z punktu widzenia ich
przydatności

jako

podłoża

budowlanego,

zależą

zagęszczenia oraz wilgotności, i są uzależnione od dwóch
podstawowych parametrów:

stopnia zagęszczenia

stopnia wilgotności

Stopień zagęszczenia

gruntów sypkich stanowi stosunek

zagęszczenia gruntu w stanie naturalnym do największego,
możliwego w danych warunkach, zagęszczenia tego gruntu.

objętość

próbki

piasku najbardziej

rozluźnio

nego

b) objętość próbki w

stanie

naturalnym

objętość

próbki

piasku najbardziej

zagęszczo

nego

Zagęszczenie gruntu w stanie naturalnym określa się jako
różnicę objętości prób-ki w stanie najluźniejszym

max

naturalnym

V=V

, zaś największe możliwe zagęszczenie

określa różnica pomiędzy objętością próbki gruntu w stanie
luźnym

max

i najbardziej zagęszczonym

min

. Można to wyrazić

wzorem:

min

max

min

max

min

max

min

max

















Biorąc pod uwagę, że wartości odpowiednich wskaźników
porowatości można wyznaczyć z zależności:

max

min

max

oraz

;

























po podstawieniu ich do powyższego wzoru i uporządkowaniu,
otrzymamy:

max

min

max

min

















W zależności od wartości stopnia zagęszczenia wyróżniamy dla
gruntów sypkich następujące

stany zagęszczenia

luźny

(ln)

 0,33,

średnio zagęszczony (szg)

0,33 < I

 0,67,

zagęszczony (zg)

0,67 < I

 0,80,

bardzo zagęszczony (bzg)

0,80 < I

 1,0.

Oczywiste jest, że im wyższą wartość osiąga I

, tym grunt

stanowi lepsze podłoże fundamentów budowli. Orientacyjnie
można przyjąć, że grunty sypkie, dla których I

> 0,35 – 0,40,

mogą stanowić podłoże fundamentów bezpo-średnich: stóp,
ław i płyt.

Wartość stopnia zagęszczenia dla gruntu ustala się według
przytoczonych wzorów. W tym celu w terenie z gruntu badanej
warstwy pobiera się cylindrem próbę

NNS

, dla której

wykonuje się oznaczenie



(gęstości objętościowej w stanie

naturalnym) i

(wilgotności naturalnej), a następnie oblicza



. Wartości



dmin



dmax

wyznacza się w laboratorium,

wsypując najpierw wysuszony grunt jak najluźniej przez lejek
do stalowego cylindra (

dmin

), a następnie zagęszczając go w

tym cylindrze uderzeniami widełek wibracyjnych (

dmax

Opisany

sposób

oznaczenia

wartości I

jest pracochłonny, a

uzyskany

wynik

dotyczy

tylko

miejsca z którego została pobrana
próbka NNS. Aby ustalić wartość I

dla całej warstwy należy wykonać
szereg takich badań ( 5). Dlatego

w praktyce w celu określenia I

stosuje się najczęściej metodę
sondowania dynamicznego sondą
stożkową.

Badanie  polega  na  tym,  że  w  grunt  wbija  się  uderzeniami
swobodnie  spadajacego  młota  stalową  żerdź  zakończoną
stożkową  końcówką.  Istnieje  szereg  sond  różnią-cych  się
parametrami. Najczęściej wykorzystuje się

lekką sondę DPL

, w

której młot o masie

10 kg

spada na kowadło z wysokości

0,5 m

Końcówka stożkowa ma przekrój

10 cm

i kąt wierzchołkowy

90º.

Na żerdziach nacięte są co

10 cm

kreski. Wbijając sondę

zlicza się liczbę uderzeń przypadających na wbicie końcówki o
kolejne 10 cm, czyli ustala się parametr

. Oczywiście im

bardziej jest zagęszczony grunt, tym N

jest większe. Istnieje

doświadczalnie ustalona zależność pomiędzy N

, a I

, która

pozwala na szybkie obliczenie wyników. Dla sondy DPL ma ona
postać:

log

429

071







Stopień wilgotności S

– jest to stosunek objętości wody

znajdującej się w porach gruntu w danych warunkach do
całkowitej objętości porów. Określa więc w jakim stopniu pory
gruntu są wypełnione wodą.



































– wilgotność gruntu nasyconego wodą czyli, gdy

= 1:







– wilgotność gruntu w danych warunkach; jeżeli są to

warunki naturalne, to oznaczamy ja przez

. Ze względu na

wyróżniamy stany zawilgocenia:

suchy

(su)

= 0,

mało wilgotny

(mw)

0 < S

 0,4,

wilgotny (w)

0,4 < S

 0,8,

mokry

(m)

0,8 < S

 1,0,

STANY FIZYCZNE GRUNTÓW SPOISTYCH

Właściwości gruntów spoistych w dużej mierze zależą od ich
wilgotności. Prześledźmy na poniższym wykresie jak zmienia
się objętość próbki gruntu spoistego i jego charakter w
zależności od zawartości wody - wilgotności

wilgotność naturalna (zmienna)

zmniejszanie wilgotności

(suszenie)

ciało

stałe

kruche plastyczne

płynne

Wychodzimy  od  bardzo  dużej  wilgotności.  W  miarę  suszenia  próbki
gruntu  jej  objętość  maleje.  Dzieje  się  tak  do  pewnej  wartości
wilgotności  -

, poniżej której objętość jest już praktycznie stała.

Równocześnie zmieniają się zewnętrzne cechy gruntu. Początkowo
grunt ma właściwości gęstej cieczy (błota). Po przejściu punktu o
wilgotności

grunt nabiera cech plastycznych i zachowuje je, aż do

punktu

, po przekroczeniu którego ma charakter ciała kruchego.

Poniżej punktu

ma cechy ciała stałego (słabej skały).

W warunkach naturalnych mamy do czynienia ze zmianami
wilgotności

gruntów,

głównie

pod

wpływem

czynników

atmosferycznych:  deszczu,  śniegu  itp.,  ale  również  w  wyniku
działalności  człowieka:  osuszanie  (drenowanie)  obszarów  rolnych  lub
ich nawadnianie, odwadnianie wykopów budowlanych, czerpanie wód
podziemnych  do  celów  bytowych  i  przemysłowych  itd.  Odpowiedzią
podłoża  na  te  wszystkie  oddziaływania  są  zmiany  właściwości
gruntów; głównie dotyczy to gruntów spoistych.

Charakterystyczne wartości wilgotności, po przekroczeniu których
zmieniają się właściwości gruntów spoistych noszą nazwę

granic

konsystencji

, gdyż oddzielają od siebie umownie ustalone

konsystencje

stany

gruntów. Te wilgotności to:

- granica skurczalności (skurczu)

- granica plastyczności

- granica płynności

Granice konsystencji są wartościami charakterystycznymi dla danego
rodzaju gruntu spoistego (stałymi w pewnych przedziałach).

Wyróżniamy następujące

konsystencje

gruntów spoistych:

k. zwarta

(cechy ciała stałego lub kruchego)

 w

k. plastyczna

(grunt plastyczny)

< w

 w

k. płynna

(grunt płynny)

> w

W ramach konsystencji dokonuje się dalszego podziału na stany. W
związku z tym wprowadza się pojęcie

stopnia plastyczności

(mającego dla gruntów spoistych znaczenie analogiczne jakie ma
dla gruntów sypkich stopień zagęszczenia). Grunt nośny ma I



0,35 - 0,4.

Stopień plastyczności

- wyraża się następującym wzorem:





W obrębie konsystencji zwartej wyróżnia się dwa stany:

zwarty (zw)

 w

półzwarty (pzw)

< w

 w



W obrębie konsystencji plastycznej wyróżnia się trzy stany:

twardoplastyczny (tpl)

0 < I

 0,25
-

plastyczny (pl)

< w

 w

0,25 < I

 0,50
-

miękkoplastyczny (mpl)

0,50 < I

 1,00
W obrębie konsystencji płynnej wyróżnia się jeden stan:

płynny (pł)

< w

1,00 < I

Po naniesieniu dodatkowych danych na powyższy wykres otrzymamy:

KONSYST.:

zwarta

plastyczna

płynna

STANY:

pzw tpl pl mpl

pł

GRANICE KONS.:

STOPIEŃ PLAST.: I

( = 0,0) 0,0 0,25 0,50 . 1,0 ( > 1,00)

Definicje granic konsystencji na podstawie tego wykresu są następujące:

Granica skurczu (w

)

- jest to wilgotność jaką ma grunt przy przejściu ze

stanu półzwartego do stanu zwartego. Przy tej wilgotności grunt suszony
przestaje zmniejszać swoją objętość, a jego barwa staje się jaśniejsza
(płowieje),

Granica plastyczności (w

)

- jest to wilgotność jaką ma grunt przy przejściu

ze stanu twardoplastycznego do stanu półzwartego. Wałeczek wykonany z
takiego gruntu pęka lub rozwarstwia się osiągając średnicę 3 mm.

Granica płynności (w

)

- jest to wilgotność jaką ma grunt przy przejściu ze

stanu  płynnego  do  stanu  miękkoplastycznego.  Przy  tej  wilgotności  bruzda
wykonana  w  paście  gruntowej  umieszczonej  w  miseczce  aparatu
Casagrande’go  (który służy do oznaczenia  w

) schodzi się na długości 1 cm i

wysokości 1 mm przy 25 uderzeniach miseczki o gumową podkładkę.

Występujące w mianowniku wzoru na stopień plastyczności wyrażenie:

= w

– w

[%]

nosi nazwę

wskaźnika plastyczności

. Służy on do oceny

spoistości

gruntów.  Parametr  ten  wykorzystany  już  był  przy  podziale  gruntów
drobnoziarnistych (wykł. 1).
Wskaźnik  plastyczności  ma  określony  sens  fizyczny.  Podaje  on
mianowicie  przedział  wilgotności,  w  obrębie  którego  grunt  ma  cechę
ciała plastycznego. Inaczej mówiąc wskaźnik plastyczności stanowi o ile
(procentowo)  powinna  wzrosnąć  wilgotność  gruntu,  aby  nastąpiło
przejście  gruntu  ze  stanu  półzwartego  w  stan  płynny.  Plastyczność,
czyli zdolność do zachowania nadanego kształtu sprawia m. in., że gliny
oraz  iły  są  cennym  surowcem  do  wyrobu  materiałów  ceramicznych:
wyrobów  garncarskich,  porcelany,  cegieł,  dachówek,  pustaków
budowlanych itp.

Aktywność koloidalna - A

- jest to zależność pomiędzy wskaźnikiem

plastyczności I

[%], a zawartością frakcji iłowej f

[%] dla danego

gruntu spoistego.

]

[





W zależności od aktywności koloidalnej dzielimy grunty na:

nieaktywne